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天然石材硬度级别之二--花岗岩和大理石

 

本次修订将岩石的坚硬程度和岩体的完整程度各分五级,二者综合又分五个基本质量等级。与国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)和《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)协调一致。

  划分出极软岩十分重要,因为这类岩石不仅极软,而且常有特殊的工程性质,例如某些泥岩具有很高的膨胀性;泥质砂岩、全风化花岗岩等有很强的软化性(单轴饱和抗压强度可等于零);有的第三纪砂岩遇水崩解,有流砂性质。划分出极破碎岩体也很重要,有时开挖时很硬,暴露后逐渐崩解。片岩各向异性特别显着,作为边坡极易失稳。事实上,对于岩石地基,特别注意的主要是软岩、极软岩、破碎和极破碎的岩石以及基本质量等级为V级的岩石,对可取原状试样的,可用土工试验方法测定其性状和物理力学性质。

  举例:

  1 花岗岩,微风化:为较硬岩,完整,质量基本等级为Ⅱ级;

  2 片麻岩,中等风化:为较软岩,较破碎,质量基本等级为Ⅳ级;

  3 泥岩,微风化:为软岩,较完整,质量基本等级为Ⅳ级;

  4 砂岩(第三纪),微风化:为极软岩,较完整,质量基本等级为V级;

  5 糜棱岩(断层带):极破碎,质量基本等级为V级。

  岩石风化程度分为五级,与国际通用标准和习惯一致。为了便于比较,将残积土也列在表A.0.3中。国际标准ISO/TC182/SCl也将风化程度分为五级,并列入残积土。风化带是逐渐过渡的,没有明确的界线,有些情况不一定能划分出五个完全的等级。一般花岗岩的风化分带比较完全,而石灰岩、泥岩等常常不存在完全的风化分带。这时可采用类似“中等风化-强风化’“强风化-全风化”等语句表述。同样,岩体的完整性也可用类似的方法表述。第三系的砂岩、泥岩等半成岩,处于岩石与土之间,划分风化带意义不大,不一定都要描述风化。

  关于软化岩石和特殊性岩石的规定,与《94规范》相同,软化岩石浸水后,其承载力会显着降低,应引起重视。以软化系数0.75为界限,是借鉴国内外有关规范和数十年工程经验规定的。

  石膏、岩盐等易溶性岩石,膨胀性泥岩,湿陷性砂岩等,性质特殊,对工程有较大危害,应专门研究,故本规范将其专门列出。

  岩石和岩体的野外描述十分重要,规定应当描述的内容是必要的。岩石质量指标RQD是国际上通用的鉴别岩石工程性质好坏的方法,国内也有较多经验,《94规范》中已有反映,本次修订作了更为明确的规定。

  岩石是天然产出的具稳定外型的矿物或玻璃集合体,按照一定的方式结合而成。是构成地壳和上地幔的物质基础。按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。其中岩浆岩是由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成的岩石,也称火成岩;沉积岩是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石;变质岩是由先成的岩浆岩、沉积岩或变质岩,由于其所处地质环境的改变经变质作用而形成的岩石。

  地壳深处和上地幔的上部主要由火成岩和变质岩组成。从地表向下16公里范围内火成岩和变质岩的体积占95%。地壳表面以沉积岩为主,它们约占大陆面积的75%,洋底几乎全部为沉积物所覆盖。

  岩石学主要研究岩石的物质成分、结构、构造、分类命名、形成条件、分布规律、成因、成矿关系以及岩石的演化过程等。它属地质科学中的重要的基础学科。

  十八世纪末岩石学从矿物学中脱胎出来而发展成一门独立的学科。在岩石学发展的初期,主要研究的是火成岩,到了十九世纪中叶才开始系统地研究变质岩,而沉积岩直到二十世纪初才引起人们的注意。目前岩石学正沿着岩浆岩石学、沉积岩石学和变质岩石学三个主要的分支方向发展。

  古老岩石都出现在大陆内部的结晶基底之中。代表性的岩石属基性和超基性的火成岩。这些岩石由于受到强烈的变质作用已转变为富含绿泥石和角闪石的变质岩,通常我们称为绿岩。如1973年在西格陵兰发现了同位素年龄约38亿年的花岗片麻岩。1979年,巴屯等测定南非波波林带中部的片麻岩年龄约39亿年左右。

  加拿大北部的变质岩—阿卡斯卡片麻岩是保存完好的古老地球表面的一部分。放射性年代测定表明阿卡斯卡片麻岩有将近40亿年的年龄,从而说明某些大陆物质在地球形成之后几亿年就已经存在了。

  最近,科学家在澳大利亚西南部发现了一批最古老的岩石,根据其中所含的锆石矿物晶体的同位素分析结果,表明它们的“年龄”约为43亿至44亿岁,是迄今发现的地球上最古老的岩石样本,根据这一发现可以推论,这些岩石形成时,地球上已经有了大陆和海洋。在地球诞生2亿至3亿年后,可能并不象人们所认为的那样由炽热的岩浆所覆盖,而是已经冷却到了足以形成固体地表和海洋的温度。地球的圈层分异在距今44亿年前可能就已经完成了。

  目前在中国发现的最古老岩石是冀东地区的花岗片麻岩,其中包体的岩石年龄约为35亿年。

  澳大利亚西部Warrawoona群中的微化石在形态结构上比较完整。它们究竟是蓝藻还是细菌目前尚难确定。通常认为,早期叠层石是蓝藻建造的,叠层石是蓝藻存在的指示。如果35亿年前就已经出现蓝藻,则说明释氧的光合作用早就开始了,这便引出一个问题:为什么直到20亿年前大气圈才积累自由氧呢?从35亿年前到20亿年前中间相隔15亿年之久,为什么氧的积累如此缓慢?对此当然有不同的解释。例如近年来已经发现叠层石也可能完全由光合细菌建造,或甚至由非光合细菌建造。

  最古老生命存在的间接证据中较重要的是格陵兰西部条带状铁建造(BIF)和轻碳同位素。如果证据成立,则由此可推断在38亿年前的地球上已经出现进行释氧光合作用的微生物,即类似蓝藻的生物。根据Cloud的解释,BIF是由光和微生物周期性地释氧而引起亚铁氧化为高价铁沉积下来的。轻碳同位素也是光合作用的间接证据。但反对的意见认为,BIF形成所需的氧可以通过大气中的水分子的光分解来提供,而轻碳同位素可能来自碳酸盐的热分解。

  叠层石是前寒武纪未发生变质的碳酸盐沉积中最常见的一种“准化石”,是由原核生物所建造的有机沉积。这种叠层状的生物沉积构造是由于蓝藻等低等微生物在其生命活动中,通过沉积物的捕获和胶结作用发生周期性的沉积作用而形成的。根据Walter(1983)的统计,在澳大利亚、北美和南非三个不同大陆的11个地点发现了太古宙叠层石,其年龄都在25亿年以上。晚元古代是地史上叠层石最繁盛的时期,其分布广泛、形态多样。后生动物出现以后叠层石骤然衰落。寒武纪至泥盆纪叠层石数量和分布范围有限。泥盆纪以后叠层石只是残存。现代海相叠层石只分布在澳大利亚、中美洲、中东等地的少数地区特殊环境中。

  陨石是太阳系内小天体的珍贵标本,为研究太阳系的起源、演化和生命起源提供了宝贵的线索和资料。球粒陨石中不仅含有氨基酸,还有烃类、乙醇和其他可能形成保护原始细胞膜的脂肪族化合物。对生命起源的研究有较大意义。生物化学家David.W.Dreamer用默奇森陨石中得到的化合物制成了球形膜,这些小泡提供了氨基酸、核苷酸和其他有机化合物以及进行生命开始所必需的转变环境。也就是说,当陨石撞击地球时,产生形成生命所需的有机物及必需的环境。和生命起源于彗星的理论一样,这是一种新的天外起源说。另外,康奈尔大学的C.Hyba指出,撞击也可以用其它方式提供生命所需的原材料,来自一次陨石撞击的热和冲击波可以在原始大气中激发起合成有机化合物的化学反应。

  陨石是降落到地球表面的小块行星际物质撞入地球大气圈后尚未被烧尽的流星体的残片。在晴朗的夜晚,可以看到一线亮光划过夜空,瞬间消失。这些弥漫在宇宙空间中的星际尘埃,如果被地球的引力捕获便形成陨星;当它们以极快的速度进入地球大气圈时与大气发生摩擦、生热、发光,一部分残留下来落到地表就成为陨石。如果陨石在空中爆炸后象下雨一样降落,就称为陨石雨。1976年3月8日,我国吉林省降落过一次世界罕见的陨石雨,完整的陨石有100余块,重2吨多,其中最大的一块重达1770公斤,是世界上最大的石陨石。陨石来自星际空间,在1969年阿普罗11号在月球着陆并将月岩带回地球以前,陨石是人们能直接加以观察的唯一的外来天体。

  近代史上最惊人的陨石坠落事件是1908年的通古斯事件。当时在前苏联西伯利亚通古斯方圆800公里的范围内,都可见到了火光;在100公里范围内,都听到了轰隆巨响;在50公里范围内,高大树木全部被烧毁。很多人推测这次事件与陨石坠落有关,但奇怪的是至今没有找到陨石碎块。因此成为世界着名的“通古斯之谜”,吸引了许多中外科学家前往这个地区进行考察和研究。

  陨石可分为三类:石陨石、石铁陨石和铁陨石。其中以石陨石最多,约占94%。同位素年龄测定陨石的年龄约为46亿年。

  石陨石:

  密度为3-3.5克/立方厘米。由硅酸盐矿物橄榄石、辉石、少量斜长石和金属铁的微粒组成。可分为球粒陨石和无球粒陨石,前者含有直径为1-2毫米大小的陨石球粒,它是熔融物质快速冷凝的产物。这种结构在地球上从未发现过。可能是在太阳系形成初期原始行星物质被原始太阳的高温熔化后,在脱离太阳时迅速冷却而形成的。因此,玻璃质球粒的成分就反映了太阳系形成初期原始行星的成分。

  石铁陨石:

  密度约5.6-6克/立方厘米,由铁镍和硅酸盐矿物组成。

  铁陨石:

  密度约8-8.5克/立方厘米。大约由80%-95%的金属铁和5%-20%的镍组成。

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